乘用车车室密封性及其测试试验台的研制（lj）

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.13MB 71 页 15积分
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题背景及意义 ............................................... 1
§1.2 国内外研究发展概况 ........................................... 2
§1.3 课题主要内容 ................................................. 4
第二章 车室密封结构及车门密封条有限元分析 ........................... 6
§2.1 乘用车车室中的密封结构 ....................................... 6
§2.1.1 轿车车室中的密封结构 ..................................... 6
§2.1.2 轻型客车车室中的密封结构 ................................. 8
§2.2 乘用车密封条概述 ............................................ 10
§2.3 车门密封条受力分析 .......................................... 10
§2.4 密封条非线性有限元分析 ...................................... 11
§2.4.1 大变形几何非线性的几何描述 .............................. 12
§2.4.2 材料非线性问题 .......................................... 15
§2.4.3 实心橡胶材料模型 ........................................ 16
§2.4.4 海绵橡胶材料模型 ........................................ 18
§2.5 帕萨特 B5 车门密封条有限元分析 ............................... 19
§2.5.1 ANSYS 分析方法 .......................................... 19
§2.5.2 密封条垂直压缩受力的 ANSYS 有限元分析 .................... 20
§2.6 密封条样条压缩实验 .......................................... 28
第三章 汽车密封性检测技术 ........................................... 32
§3.1 汽车车室密封性检测技术 ...................................... 32
§3.2 气密封性检测技术 ............................................ 33
§3.2.1 直接压力法密封检测 ...................................... 33
§3.2.2 差压法密封检测 .......................................... 34
§3.2.3 动态压力法 .............................................. 35
第四章 车室密封性测试试验台设计 ..................................... 36
§4.1 试验台气路系统设计 .......................................... 36
§4.2 试验台机械结构设计 .......................................... 38
§4.3 试验台电路系统设计 .......................................... 38
§4.4 系统的测试过程及其原理 ...................................... 39
§4.5 技术指标 .................................................... 41
第五章 试验台部件参数确定 ........................................... 43
§5.1 试验台的压力损失计算 ........................................ 43
§5.1.1 不同管道不同流速下λ的计算 .............................. 43
§5.1.2 整个试验台装置的压力损失计算 ............................ 44
§5.2 风机的选择 .................................................. 47
§5.2.1 风机形式的选择 .......................................... 47
§5.2.2 风机型号的选择 .......................................... 47
§5.2.3 离心式通风机原理 ........................................ 48
§5.3 电动机的选择 ................................................ 49
§5.4 变频器的选择 ................................................ 49
§5.5 空气流量计的选定 ............................................ 50
§5.6 压力传感器的选定 ............................................ 51
§5.7 差压传感器的选定 ............................................ 51
§5.8 阀门的选定 .................................................. 51
§5.9 材料的选定 .................................................. 51
第六章 汽车空调送风量的计算 ......................................... 52
§6.1 汽车空调装置 ................................................ 52
§6.2 汽车空调配气过程 ............................................ 52
§6.3 汽车空调的送风量的计算 ...................................... 53
§6.3.1 我国车内空调设计参数的选择 .............................. 53
§6.3.2 车外设计参数的选择 ...................................... 53
§6.3.3 车室热负荷计算 .......................................... 54
§6.3.4 空调送风量的确定 ........................................ 56
第七章 试验数据分析 ................................................. 58
§7.1 试验平台及试验工况 .......................................... 58
§7.2 试验操作过程 ................................................ 58
§7.3 车室气体密封性试验数据分析 .................................. 59
§7.4 汽车空调送风量测试试验数据分析 .............................. 61
第八章 总结与展望 ................................................... 65
§8.1 总结 ........................................................ 65
§8.2 本文的创新点 ................................................ 65
§8.3 后续研究工作的展望 .......................................... 66
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及意义
本课题来源于上海大众汽车有限公司工程部。
自1886 年德国工程师哥德利普·戴姆勒设计并制造了世界第一辆汽车开始，汽
车工业的发展已经历了 120 年迅猛发展的历史。随着科学技术的不断发展，汽车
的各项性能(如动力性，经济性，舒适性，通过性，操纵稳定性，安全性和可靠性
等)指标也在不断提高，消费者对汽车的性能也提出了越来越高的要求。
乘用车研究的重要方向之一就是提高乘车舒适性，降低噪声，这和车室的密
封性能是密切相关的。车室密封性能对下列问题将产生直接影响：(1)雨水的渗入，
外部灰尘和湿气的渗入；(2)有害气体的含量；(3)隔音降噪效果；(4)空调效果。其
中，(1)项主要是针对乘用车车室的防雨密封性能和防尘密封性能，而(2)、(3)、(4)
项则主要是针对车室的气体密封性能。如果车室气密封性指标太差，将导致空调
系统负荷加重，燃油经济性能变差，忽冷忽热的环境对乘客也存在一定的影响。
同时，过量的有害气体进入车室内，将对乘客的身体造成危害。因此车室的密封
性能是车室性能的重要参数之一。
车室中的密封结构是决定车室密封性能的最关键的因素，密封条则是密封结
构中的最为关键的元件。密封条在汽车中起到介质密封、环境隔离和内外装饰的
作用。密封条的材质、结构和制造工艺的不同将直接影响其功能。密封条的性能
对车室的防水防尘、车门关闭性能、降低车室内的风噪声以及乘车舒适性等有着
重要的影响。因而分析密封条的压缩性能、优化密封条结构从而优化车室密封性
能有着非常重要的意义。
在现有车室密封性能测试技术中，有防雨密封性试验和防尘密封性试验两种。
其中，防雨密封性试验[1]的方法较为原始；防尘密封性试验[2]需要通过道路试验来
检测车内的粉尘量，试验方式较为繁琐，同时试验道路条件不稳定，容易影响试
验结果的可比性和可信度。这两种测试方式均不能全面地反映车室的密封性问题。
因而从气体密封性角度出发，开发一套用空气流量—压力测量的试验台架就显得
十分重要。该试验台可以测试车室的气体密封性能，从而可以从防雨、防尘、气
密性三个方面来全面评价车室的密封性能，使车室的密封检测技术更为全面。
汽车空调的主要目的就是使车室内的空气环境达到舒适要求。影响人体舒适
的因素主要有温度、湿度和风速。风速则跟空调的送风量相关。因而汽车空调送
风量的测定，是确定空调系统设计参数的重要内容。独立总成空调风量测试台架
具有很大的局限性，试验结果并不能反映实际情况。因为汽车空调正常工作时，
其出口背压为车室内压力，近似于大气压。而独立空调送风量测试台架测量时因
乘用车车室密封性能研究及测试试验台的研制
2
串联了测试台架、不同直径的管道、控制阀门和流量计等，大大增加了空调出口
的背压，改变了空调的正常工况，测量值就偏将偏离真实值。因此开发在整车状
态下测量空调装置的送风量测试装置有着重要意义。
对车室密封性试验台稍加改动，将风机的进口端与空调的出风口连接，利用
风机的抽吸功能，将空调的出口背压调整为实时的车室内压力，则保证了空调在
其正常工况下工作。此时所测量的空调送风量值则将更接近于其真实值，提高了
测量准确度。
本项目利用气体动力学和风机理论，采用动态正压法，仅利用一台风机和相
应的测量仪器，将测试车室气体密封性能和测量空调送风量的功能集成为一体，
共用高精度昂贵的仪器，节省了大量的成本费用。
利用本试验台可对同型号车辆进行大批量的试验，得出大量的车室气体密封
性曲线，根据这些曲线综合分析得出该系列车型的车室气体密封性能曲线，将该
曲线作为该车型的车室气体密封性能评价曲线。利用该曲线对具体车辆的气体密
封性能进行比较和评价。这对于车室密封性能检测技术的发展具有重要的实际意
义。
利用本试验台可在空调正常况下进行汽车空调送风量的测定。根据测试结果
对空调送风量进行调整和改善，从而提高车室的乘坐环境，提高乘坐舒适度，对
于节能和环保也具有重要的意义。
§1.2 国内外研究发展概况
密封条的性能对车室的密封性能具有很大的影响。国外对汽车密封条产品的
研究发展很快。福特公司的D.A.Wagner等研究人员对乘用车车门密封条进行了非
线性有限元分析，所用的有限元程序为ABAQUS，分析了密封条横截面上压缩受
力变特性、接触压力分布和气吸压力[3]，这三个方面对密封条的性能具有很大的影
响，也对车室的密封性能具有很大的影响。福特公司的C.S.Wang研究了海绵胶组
织结构对汽车密封条的寿命的影响[4]。当密封条使用一段时间后，将会发生氧化和
老化等变化，这必将影响到密封条的密封性能。L.Mongeau等人分析了密封条的压
缩量对噪声通过车门密封条传输与噪声的频率的影响[5]。福特公司为了减少车内的
噪音，采用系统而有效的对声音“不敏感”方法进行车门密封结构的参数设计[6]。
近年来国内密封条的分析已取得一定的进展，但密封条的设计和开发能力仍
然很薄弱。戴元坎等应用CAE技术分析汽车密封条安装困难及装车状态下起皱和
唇边外翻等问题的原因并对密封条进行结构优化[7]。董叶顺等对汽车门框密封条结
构进行了密封条新材料配方和新结构的优化设计，解决了密封条弯曲起皱和表面
起皱的问题[8]。赵建才等采用非线性有限元软件MARC对汽车车门密封条进行了结
第一章 绪论
3
构分析和优化设计,解决其压缩负荷超标的问题[9]。闵阳春对国内外机车车辆窗玻
璃密封条的截面形状进行了对比，对其密封性能做了定量分析，并分析了不同截
面形状的密封条装配对密封性能的影响[10]。万德安等开发和研制了新型密封条压
缩过程的力—位移测试装置，可以实现不同压缩速度下的力—位移响应特征测试，
为利用CAE分析软件进行密封条结构设计与优化提供了试验验证[11]。
对于车室密封检测技术，目前世界上普遍采用的有两种：防雨密封性试验和
防尘密封性试验。两种方法的测试方法和过程分别在GB/T12480-90[1] 和GB/T
12478-90[2]中有详细介绍。而程学田详细地介绍了第一汽车集团所设计的车身淋雨
密封性试验室[12]。马敏杰介绍了淋雨密封试验室的组成、原理、设备、喷嘴的设
计与计算[13]。人工淋雨试验方法及试验设备已在国家标准GB/T12480-90中有明确
的规定。黎国仲则介绍了车辆防尘密封性试验专用设施—灰尘洞的组成、构造及
试验方法。在灰尘洞内进行试验受风速、风向等气象条件影响较小，被扬起的粉
尘浓度能保持相对的稳定和均匀，但该设施造价比较昂贵[14]。这两种测试方式尚
不能全面地反映车室的密封性问题。因而需要借助气密性试验来更好地衡量车室
的密封性。
气密性检测技术在汽车工业生产中已得到广泛地发展，多年来已经发展了多
种密封检测技术。(1)直接压力法检测技术, (2)差压法检测密封，(3)动态压力法。
它们的共同点是均以压缩空气替代真实的工作介质，也就是以气密性试验模拟液
密性试验，测量其压力变化。张晓明等研究的机器箱体密封性能自动检测装置[15]，
任德均等研究的密封舱密封性能智能检测仪[16]均是利用直接压力法检测原理来进
行仪器开发的。朱正德所介绍的差压式泄漏检测仪[17]则是利用差压法原理进行密
封性能检测的。
随着汽车空调技术的飞速发展，人们对汽车空调的需求越来越迫切，对汽车
空调质量的要求也越来越高。乘客对现代乘用车乘坐舒适性具有越来越高的要求，
而汽车空调则是提高乘用车乘坐舒适性的一种重要的手段。汽车空调现在不仅已
大量地运用于轿车中，而且发展到各类卡车、农用车及特种车上。目前国产轿车
空调装置率已接近 100%。由于装置有空调，故对车室的密封性能尤其是气体密封
性能提出了更高的要求。
气密性检测技术用于汽车车室密封性能测试，目前国内外这方面研究的报道
不多。在国内，中国第一汽车集团公司采用的专利(03213302.2)，即车室气体密封
性试验机[18]，该试验机采用动态负压法，可建立起驾驶室内外任意负压差，可实
现手动和自动测量，可实现对驾驶室局部位置进行小流量的测量，测量量可达
1m3/h,但其结构较复杂，且仅仅能够测试车室密封性。在国外，美国有些汽车公司
乘用车车室密封性能研究及测试试验台的研制
4
和原苏联的一些汽车生产厂家是采用从车室内部吸气的方法，使车室内部形成负
压，并与其外部形成一个恒定的动态负压差，再测定车室内部空气泄漏量；日本
主要汽车生产厂家如日野，三菱公司采用向汽车驾驶室内部送气的方法，使内部
与其外部形成一个恒定动态正压差，再测定车室内部泄漏量。
对于空调送风量的测定大多采用先测量管道截面上的风速，再利用平均风速
和管道截面积的乘积来计算风量的方法。管道的风速常用毕托管和压力计测量。
在汽车空调制冷试验方法QC/T657-2000中就是利用该种测量方法来测量空调的送
风量[19]。杨晚生、张吉光等人研制了铁路空调客车送风道性能试验台，该试验台
具有空调送风量测试，送风道阻力测试，送风道的送风均匀性测试，室内速度场
和温度场测试等功能[20]。曾艺、龙惟定运用质量平衡法和能量平衡法的原理，利
用CO2浓度平衡法测试试验台对变风量系统的新风量进行了测试[21]。刘泽华等人采
用热式风速计测量风口处的风速,然后根据风口的尺寸和风口有效面积率求出风口
送风量[22]。
以上所介绍的试验台，有的仅能测试空调系统送风量，或者仅能测量车室密
封性能。均未同时拥有车室密封性能测试和空调送风量测定的双重功能。将测试
车室气体密封性能和测量空调风量的功能集成为一体的测试台架目前尚无相关研
究和报导。
§1.3 课题主要内容
本文针对乘用车车室密封性问题，利用 ANSYS 进行了密封条有限元分析，分
析了密封条性能对车室的密封性能的影响。从车室气体密封性角度出发，设计了
车室密封性测试试验台。同时针对空调送风量测试问题，对车室密封性测试试验
台稍加改动，使其具备测试空调送风量的功能，解决了独立空调送风量测试台架
所遇到的出口背压问题。基于该试验台架进行了车室密封性试验和空调送风量的
测定试验。
1．介绍了乘用车车室所具有的密封结构，对密封条进行了非线性有限元分析
在非线性有限元的基础上，建立了密封条的材料模型，利用 ANSYS 软件对帕
萨特 B5 车门密封条进行了有限元分析，得到密封条变形图，压缩负荷-压缩位移
关系曲线，分析了密封条性能对车室密封性能的影响。并通过实验数据与理论数
据的比较，论证了 ANSYS 进行密封条有限元分析的可行性。
2．车室气体密封性试验台及空调送风量测定试验台的设计
从气体密封性角度出发，设计了车室气体密封性试验台。针对空调送风量的
测定问题，对车室气体密封性试验台稍加改动，实现了空调送风量测定的功能。
对试验台架进行总体设计和整体布置；分析了试验台的测试原理；分析了试验台
第一章 绪论
5
中的各个部件的原理及选择原理。
3．空调理论送风量的计算
根据我国车室内外空调设计参数，对桑塔纳 2000 车室进行热负荷计算，从而
得到桑塔纳 2000 空调的理论制冷送风量。
4．基于该试验台的试验
(1)利用该试验台对桑塔纳 2000 汽车车室进行密封性试验，得到相关试验数据；
对试验数据进行分析处理，拟合出该车室空气流量—车室压力曲线，得出整个车
室泄漏面积。
(2)利用该试验台测量桑塔纳 2000 汽车空调各种类型出风口的总送风量，然后
再测量空调单个出风口的送风量。
乘用车车室密封性能研究及测试试验台的研制
6
第二章 车室密封结构及车门密封条有限元分析
乘用车在其设计和技术特性上主要是针对载运乘客及其随身行李的机动车，
包括驾驶员座位在内最多不超过 9个座位。乘用车涵盖了轿车、微型客车以及不
超过 9座的轻型客车。
§2.1 乘用车车室中的密封结构
§2.1.1 轿车车室中的密封结构
轿车车室中的密封结构是决定车室密封性能的最关键的因素。根据工作环境
的不同，轿车车室密封结构可分为：承受静载荷的密封结构和承受动载荷的密封
结构[23]。
1．承受静载荷的密封结构
(1) 前、后风窗玻璃密封结构
曲面风窗均为闭式的。在车室的风窗框与风窗玻璃之间，用橡胶密封条密封。
密封条起着密封与缓冲作用。传统的前、后风窗玻璃结构使用单一实体橡胶或 PVC
材料制成的密封条。在密封条断面上含有车室金属板、玻璃和装配嵌条等安装沟
槽。这种密封结构正被逐步淘汰，取而代之的是用密封嵌条、粘接剂将玻璃同车
室安装固定的密封结构。这种密封结构有利于安全、装配、车身外观和密封等的
要求。该密封结构如图 2-1 所示：
图2-1 风窗密封结构结构示意图
为了防止水和灰尘渗入车室内，最好在密封条和玻璃及风窗框之间填有不干的
密封胶，如 JN-8 胶。
(2) 固定侧窗玻璃密封结构
传统的固定侧窗玻璃密封结构同前、后风窗玻璃密封结构一样使用单一实体
橡胶或 PVC 材料制的密封条。密封条断面上含有车身金属板、玻璃等安装槽。该
种结构的密封也正被逐步淘汰，取而代之的是在侧窗玻璃周边直接注射上软 PVC
或PUR 泡沫包边，用粘接剂将玻璃同车身安装固定。
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................1§1.1课题背景及意义...............................................1§1.2国内外研究发展概况...........................................2§1.3课题主要内容.................................................4第二章车室密封结构及车门密封条有限元分析.............................

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